KR100361038B1 - 열교환기의 배플인서트 및 그에 의한 유로변경방법 - Google Patents

Abstract

배플인서트(baffle insert)(27,29,31) 또는 심(shim)은 복수개로 된 겹으로 쌓은 중공판대우(中空板對偶)(16,18) 또는 대우단(對偶端)보스(boss)(26,28)를 포함하는 도관(導管) 또는 판대우(16,18)를 통하는 액체 유동을 위한 매니폴드(manifold)를 형성하기 위하여 그 안에 형성된 구멍(30,32)들을 연결하는 면적 또는 간격을 가지는 유형의 판형(板形) 또는 관형열교환기(管形熱交換機)(10)내에서 순환하는 액체를 제어하기 위하여 공개되었다. 배플인서트들(baffle inserts) (27,29,31)은 단(端)보스(boss)의 영역에서만이 미리 설정된 인접 단보스(26,28)사이에 들어 있어서 대우판(對偶板)(16,18) 또는 도관내의 유로(流路)에 특수형판을 사용하거나 장애물을 삽입하지 않고도 대우판(16,18) 또는 도관을 통하여 상이(相異)한 흐름을 정하여 준다.

배플인서트(27,29,31)의 한가지 사용방법이 공개되었는데 이에 의하면 경납땜 작업 전에 열교환기(10)의 선조립(先組立)중 당해 배플인서트(27,29,31)를 삽입한다.

Description

열교환기의 배플인서트 및 그에 의한 유로변경방법{BAFFLE INSERT FOR HEAT EXCHANGERS AND A METHOD FOR CHANGING FLOW PASSAGES THEREBY}

종래의 판 또는 튜브형 열교환기는 복수개의 겹으로 쌓은 중공짝판(plate paires) 또는 튜브로 되어 있어 액체가 그 속을 통과하게 되어 있다. 이러한 짝판 튜브는 흔히 반대쪽 단부(端部)에 위치한 단부 보스가 형성되어 있어서 짝판 튜브를 통하여 액체를 공급하기 위한 중공(中空)흐름매니폴드(flow manifold)를 구성하고 있다. 이 짝판 튜브는 또한 짝판 튜브사이로 공기와 같은 다른 유체의 횡류를 허용하며, 흔히 냉각 핀이 짝판 튜브사이에 자리잡고 있어서 열교환기의 열전달계수를 높여주고 있다.

때로는 유체에 힘을 가하여 짝판 튜브중에 유체의 미리 설정된 결합이나 순서에 의하여 미리 설정된 통로나 회로를 따라서 흐르도록 하는 것이 바람직하다. 또한 때로는 짝판 튜브의 적층구성에서 모듈로 분리하여도 각각 그 자체에 유입구와 유출구를 가지고 있기 때문에 유효하게 다중 열교환기나 단일 구성체의 모듈(module)을 갖도록 하는 것이 바람직한 경우도 있다.

종래에는 이러한 바람직한 사항들을 이루기 위한 한가지 방법으로 특수 판이나 튜브에서 단부 보스가 닫힌 상태로 일부 짝판 튜브를 위해서 특수 단일 판이나 튜브를 사용하였었다. 또 다른 방법은 일부 짝판 튜브 사이 안에 특수 공백판을 사용하는 것이다. 이런 방법에 있어서 곤란한 점은 비효율적인 흐름장애 외에도 허다한 단일 또는 복잡한 형상의 부품이 필요하게됨으로 열교환기를 조립하기가 어려워서 부품을 엉뚱한 위치에 잘못 미리 설치하는 많은 오류를 범하게 된다. 결과적으로 결함을 지닌 작동 불능의 열교환기가 많이 생산된다.

본 발명은 특수 판이나 튜브가 필요 없으며 바람직하지 않은 흐름장애를 제거시켜주어서 이에 열교환기의 납땜 전에 판이나 튜브 단 보스사이에 삽입되는 간단한 배플(baffle)을 사용함으로서 상이한 유동회로를 용이하게 배열할 수 있다.

본 발명은 복수개의 짝판 튜브형 또는 복수의 짝판 튜브를 적층하여서 된 유형의 열교환기 및 특히 짝판 튜브내의 유로 또는 회로를 변경시켜주기 위한 장치 및 유로변경방법에 관한 것이다.

본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하고자 하며 도면의 내용은 다음과 같다:

도 1은 본 발명에 따르는 배플인서트의 실시예를 적용한 샘플판과 핀형 열교환기의 사시도이다.

도 2는 화살표 2-2방향으로 취한 도1의 열교환기의 상좌측코너를 일부를 절취한 정면도이다.

도 3은 도1의 열교환기에 사용된 배플인서트의 한가지 유형의 투시도이다;

도 4는 도1의 열교환기에 사용된 다른 형의 배플인서트의 투시도이다.

도 5는 본 발명에 따르는 배플인서트의 또 다른 실시예의 투시도이다.

본 발명의 한가지 양태에 의하면, 복수개로 적층된 중공의 짝판 또는 연통 개구부가 형성된 짝을 이루는 단부 보스부위를 포함하는 개량된 판 또는 튜브형 열교환기를 제공하여, 짝판 튜브를 통하여 액체흐름의 매니폴드를 형성되게 한다. 본 개량의 내용은 적어도 짝을 이루는 단부 보스부위의 미리 설정된 짝판사이에 위치한 한 개의 분리된 배플인서트를 포함한다. 배플인서트는 일반적으로 단부 보스부위에서만이 위치한다.

본 발명의 또 다른 양태에 의하면, 복수개로 적층된 중공의 짝판 또는 그 안에 형성된 연통 개구부를 가진 짝을 이루는 단부 보스 또는 단부 보스부위를 포함하는 튜브를 가진 판형 열교환기내에서 액체흐름의 방향을 변경하는 방법을 제공하고 있다. 본 방법은 적층된 짝판 튜브를 헐겁게 조립하여 짝을 이루는 단부 보스의 미리 설정된 짝판사이에 배플인서트를 삽입하며 당해 배플인서트는 일반적으로 단부 보스부위에서만이 위치시키는 단계를 포함한다. 또한 짝판 튜브와 배플인서트는 그 다음엔 함께 납땜하여 열교환기를 형성하게 된다.

본 발명을 실시하기 위한 최선의 양태

우선 도 1과 2를 참조하면 본 발명에 사용된 판 및 핀 열교환기의 한가지 예는 일반적으로 도면부호 10으로 표기하였다. 그러나 열교환기(10) 자체는 본 발명의 요부로 간주되는 것은 아니다. 어떤 유형의 판형 열교환기도 핀이나 짝판의 유무에 상관없이 본 발명에서 사용이 가능하다. 또한 짝판 대신에 튜브를 가진 열교환기도 본 발명에서 사용이 가능하다. 본 설명에서 짝판이나 튜브는 동일한 것으로 간주하며 때로는 유로 또는 찬넬이라고 칭할 수도 있다. 열교환기(10)는 2개의 모듈(Module)(12 및 14)을 포함하며 각기 서로 다른 액체를 수용하기 위하여 별개의 유로를 각각 포함하고 있다. 예컨대 모듈(12)은 자동차 변속기오일이나 액체를 냉각시켜주는 데 사용할 수 있으며 모듈(14)은 자동차엔진오일을 냉각시켜주는 데 사용할 수 있다. 그러나 열교환기(10)는 상이한 액체를 가열하는 데도 사용할 수 있다는 점도 유의해야한다. 또한 2개의 모듈(12,14)만을 도시하였지만 얼마든지 추가 모듈을 단일 열교환기(10)에 결합시킬 수 있다.

열교환기(10)는 복수 개로 적층된 중공의 짝판 또는 유로(16,18)로 형성되어 있다. 짝판(plate pairs)(16)는 내측으로 연결되어 있는 딤플(dimple)(20)을 가진 짝을 이룬 판으로 형성되어 있어서 딤플판(16)이라고도 한다. 짝판(18)은 평탄한 중심부분(22)과 짝판 안에 들어 있는 익스팬디드메탈터뷸라이저(expanded metal turbulizer)를 가진 판들로 형성되어 있다. 따라서 짝판(18)은 평짝판이라고 한다. 각 짝판(16,18)은 짝을 이루는 단부 보스 또는 단부 보스(26,28)을 가지고 있다. 이러한 단 보스는 연통 개구부(30, 32)를 가지고 있어서 짝판 통과하는 액체흐름용으로 배치되어 있는 유동매니폴드를 형성하고 있다. 배플인서트(삽입물)(27, 29)는 개구부(30,32)를 막아 이하에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 모듈내에 특수한 유로를 제공하여 준다.

열교환기(10)는 적층된 짝판(16)의 상부에 위치한 상부핀(top fin)(34)이 적층된 짝판(18)의 하부에 하부핀(bottom fin)(36)이 형성되어 있다. 모듈(12)의 하부에 하부핀(36)이 형성되어 있으며 모듈(14)의 상부에 상부핀(34)이 형성되어 있다. 중간핀(38)은 짝판사이에 형성되어 있다. 모든 핀들(34, 36 및 38)은 인접한 짝판의 반대 단부에 위치한 이들 각 단 보스(26 및 28)사이로 연장되어 있다.

상술한 바와 같이, 짝판(16,18)과 핀(34,36 및 38)은 그 자체를 본 발명의 부분이라고 간주하지 않는다. 배플인서트(27, 29)의 사용은 본 발명의 일부가 된다. 짝판 튜브의 여하한 유형으로 딤플형이거나 또는 평터브라이저형 및 여하한 유형의 핀 심지어는 핀 없이도 본 발명에서 사용이 가능하다. 그러나 본 발명의 필요조건은 짝판 튜브가 배플인서트(27,29)를 삽입하기 위한 단부 보스나 공간을 가져야 한다는 점이다. 환언하면, 열교환기(10)에서는 특수 또는 고유의 판이나 튜브를 사용할 필요가 없으며 또는 짝판 튜브안에 무엇을 삽입하여 이를 통과하는 흐름을 간섭할 필요가 없다.

모듈(12)에는 상부 접합부(top mounting) 또는 단부 브래킷(end bracket)(42)이 형성되어 있으며 모듈(14)에는 하부 접합부(bottom mounting)또는 단부브래킷(44)이 형성되어 있다. 모듈(12)에는 또한 하부접합부 또는 단부브래킷(46)과, 모듈(14)에는 상부접합부 또는 단부브래킷(48)이 형성되어 있다. 실제로, 모든 접합브래킷(42,44,46 및 48)은 모두 동일하다.

접합브래킷(42,44)은 평면중앙부(52)와 중앙부(52)에 평행하고 이로부터 떨어져 위치한 반대편의 편위되어 있는 단부(54,56)가 있다. 도 2에서 잘 보이듯이 상부접합브래킷(42)과 하부접합브래킷(46)의 평면중앙부(52)는 각각의 상부와 하부핀(34,36)과 접해 있다. 이와 유사하게 모듈(14)에 대해서도 상부와 하부 접합 브래킷(48,44)의 평면중앙부(52)는 본 모듈의 각 상부핀(34)과 하부핀(36)과 접해 있다. 편위되어 있는 단부(54,56)는 각기 해당 인접단 보스(26) 또는 (28)과 접해 있다.

평면중앙부(52) 역시 간격을 두고 딤플형상의 돌기가 형성되어 있으며 단부(54,56)와 반대방향으로 가로질러서 뻗어 있다.

도 2에서 표시된 바와 같이, 접합브래킷(42,46)의 단부(54)에는 유동개구부(64)가 형성 되어 있으며, 다른 단부(56)에는 공백으로 되어 있거나 닫혀있다. 단부(56)는 열교환기(10)조립의 오류를 교정하고 다음에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 열교환기안의 유동회로를 지시하기 위하여 주위에 홈(notch)이 형성되어 있다. 또한 주위의 홈(66)은 단부(56)대신에 단부(54)에 형성하여도 동일한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

접합단부(62)는 단부(54)에서 유동개구부와 연통되어 내부유동통로를 이룬다. 실제로 접합단부(62)는 유동개구부(64)와 배열되어 있는 횡방향 통공으로 되어 있고 삽입조작으로 도 2의 성형프렌지(70)로 도시되어 있는 바와 같이, 단부(54)에 접합단부(62)를 부착 또는 조립한다.

또한 도 1 및 2에 표시된 바와 같이 열교환기(10)는 원하는 위치에 열교환기를 설치하기 위한 부착브래킷이 형성되어 있다. 부착브래킷(72)은 원하는 여하한 형상도 될 수 있지만 딤플(58)을 설치하기 위한 원형 또는 반원형구멍(74)을 가지고 있어서 열교환기(10)를 조립하는 동안에 부착브래킷(72)의 위치를 조정하는 데 도움을 주게된다. 부착브래킷(72)은 리벳(76)이나 또는 상표 "TOGGLE LOCK"제의 스웨이징(swaging) 또는 스테이킹(staking) 작업으로 접합브래킷(52,54)에 잠정 부착한다.

접합브래킷(42,44,46 및 48)은 또한 배열구멍(82)과 주위에 홈(83)이 형성되어 있어서 열교환기(10)를 조립할 동안 부품들을 맞추는 데 도움을 주고 있다.

다음은 도 3 및 도 4를 참조하면, 배플인서트(27,29)는 기본적으로 모서리가 둥근 분리형 사각, 평면인서트이다. 배플인서트(27,29)는 일반적으로 단부 보스(26,28)의 크기정도임으로 열교환기(10)를 통과하는 공기유동을 현저히 간섭하지 않는다. 환언하면 이들은 단부 보스보다 약간 크거나 작을 수도 있으나 보통 핀(34,36 및 38)이 점유하는 짝판(16, 18)사이의 부분으로 뻗어나올 수는 없다.

배플인서트(27)는 짝을 이루는 단부 보스(26)의 연통개구부(30)를 완전히 막는다. 배플인서트(29)는 조정된 바이패스공(86)이 형성되어 있어서 소량의 설정유량 또는 일부 바이패스유체가 이를 통과하도록 되어있다. 이러한 바이패스유체는 찬류체바이패스도 허용되며 열교환기(10)에서 필요하다면 또한 짝판 튜브를 통하여 일반유량을 증가시키거나 또는 내압을 감소시킬 수가 있다.

도 5에 도시된 배플인서트(31)는 배플인서트(29)와 유사하나 바이패스개구부(90)가 원추형 또는 벤추리(venturi)형으로 되어 있다. 기타의 형상과 크기를 가진 개구형 또한 배플인서트(29,31)의 바이패스공이나 개구부로도 사용할 수 있다.

배플인서트(27,29 및 31)는 지시기의 탭이나, 프렌지(92,94,96)가 형성되어 있어서 열교환기의 제작 후에 열교환기(10)에 사용한 배플판유형을 지시하거나 구분하게 되는데 만약 그렇게 되지 않으면 열교환기(10)내 유로의 확인이 육안으로는 어렵기 때문이다. 유의할 점으로는 프렌지(92,94,96)는 3가지 위치, 즉, 좌측, 중앙, 우측에 있다. 이러한 프렌지의 위치를 결합 절충하면 프렌지의 7가지까지의 치환 또는 결합이 가능하다. 이러한 기타 결합방식의 일부를 사용하여 크기나 형상이 다른 개구부(86,90)나 또는 아마도 배플인서트의 재료두께까지도 원하는 대로 제시 가능하지만 열교환기(10)의 조립중 배플인서트를 배열하는 데 도움이 됨으로 그림에 도시된 프렌지(92,94,96)형을 택하는 게 더 좋다.

배플인서트(27,29,31)는 브레징알루미늄판(brazing clad Aluminum)으로 성형하는 것이 좋으나 알루미늄에 납땜이 가능한 알루미늄판이나 기타 재료로 성형 할 수 있다. 인서트의 두께는 짝판(plate pairs)의 간격에 상당히 영향을 주는 데 필요한 두께보다 작지만, 열교환기(10)의 설계내압을 견디는 데 요하는 두께보다 커야 한다. 바람직한 범위는 0.003인치(0.08mm)와 0.024인치(0.62mm)이며 현재 제작되는 대부분의 알루미늄판 또는 튜브형 열교환기에서 가장 바람직한 크기는 약 0.010인치(0.25mm)이다. 그러나 배플인서트는 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 용접과정에서 동질화될 수 있으면 그 두께를 0.040 또는 0.050인치(1mm 내지 1.27mm)까지 크게 할 수 있다.

열교환기(10)의 조립에 있어서 우선 소요유로 또는 통로를 설정한다. 예컨대 도 1에 표시된 열교환기의 모듈(12)에서는 액체가 접합단부(62)의 어느 하나로 유입되어 단부의 어느 하나의 유입개구부(64)를 통과하고 단부 보스개구부(30) 유입되는 것이 바람직하다. 유체는 그 다음 짝판(16)중의 어느 한 길이를 따라 유동한다. 유동은 짝판의 반대측 단부에서 환류하여 다른 접합단부(62)와 연결된 유출개구부를 통하여 유출한다. 양 접합단부(62)는 어느 것이건 유입조인트로 사용가능하며 다른 접합단부(62)는 유출접합단부가 된다. 모듈(14)에서 접합단부(62)는 우측에 위치한다(도시되어 있지 않음). 유체는 유사한 방법으로 한쪽 접합단부(62)를 통과하여 어느 한 개 또는 복수 개의 짝판을 따라서 유동한다. 그 다음 액체는 환류되는 데 그 이유는 단부 보스(28)가 매니폴드를 형성하고 액체가 다른 접합단부(62)를 통하여 유출하여 되돌아오기 때문이다. 배플인서트(29)는 일부 바이패스 흐름이 짝판(18)의 어느 하나를 통과하도록 한다. 그러나 열교환기(10)내의 배플인서트(27,29)의 위치는 다만 설명의 예에 불과하다는 점을 알게 된다. 배플인서트와 조인트(29)는 여하한 원하는 형태로도 배열하여 소정의 유로를 제공 할 수 있다.

열교환기(10)의 소정의 유로를 결정한 다음 필요한 수의 짝판(16,18), 핀(34,36 및 38)과 접합브래킷(42,44,46 및 48)을 헐겁게 함께 적층하고 접합단부와 접합브래킷방향을 원하는 대로 선정한다. 그 다음에 배플인서트(27,29 또는 31)를 미리 설정한 단부 보스사이에 삽입하여 소정의 유로를 만든다. 완전히 조립하면 용접이나 납땜으로 영구 접합시켜서 열교환기를 완료시킨다. 용접이나 납땜작업은 단부 보스재료를 연화시키거나 또는 변형시켜서 배플인서트가 구조물에 동화 또는 수용되토록 하며 그럼에도 열교환기(10)의 짝판재질성분간의 접착성이 양호하며 중공의 짝판 튜브사이의 공간에 현저한 영향을 주지 않는다.

열교환기에 있어서 접합브래킷의 양단부를 서로 바꾸거나 접합단부(62)를 반대로 하여 여하한 유형이나 유로의 제공이 가능하다는 점은 당업자들에게 이해가 될 것이다.

접합브래킷(46,48)이 도1에 도시되어 있으며, 이는 막힌 편위단부(56)에 인접하여 위치한 액체개구부단부(54)가 형성되어 있지만 접합브래킷중의 어느 하나를 거꾸로 돌릴 수도 있다. 이러한 경우에는 인접된 액체개구부의 단부(54)가 접합부를 바로 통과하는 가로의 개구부를 가진 접합단부(62)를 가지고 양 개구부(64)와 통하여 액체로 하여금 2개의 인접한 모듈로 동시에 유입하거나 유출하도록 한다. 열교환기(10)는 임의 개수의 모듈로도 제조 가능하다는 점을 이해하게 될 것이다. 또한, 접합단부(62)는 짝판에 대하여 가로방향과 같은 다른 방향을 취할 수가 있다.

상기 설명으로 보아 당업자에게 이해되는 바와 같이 본 발명의 취지나 범위를 이탈함이 없이 본 발명의 실시로서 여러가지 변경 및 개량이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위는 다음의 제 청구항으로 정의한 사항과 일치하는 것으로 해석해야 할 것이다.

Claims (17)

1. 복수개의 중첩된 중공의 짝판 튜브로 구성된 유형의 열교환기에 있어서 짝판 튜브의 단부에 형성된 단부 보스를 짝을 이루어 서로 접합하여 보스에 형성된 개구부를 통하여 유체가 흐르게 하고 짝판 튜브 단부에 유체가 흐르는 매니폴드를 형성하며 짝판 튜브의 설정된 단부 보스의 접합된 사이에 개구부를 차단하는 배플인서트가 삽입되게 조립하여 단부 보스에서 유로가 변경되게 구성된 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
2. 제1항에 있어서, 배플인서트를 개구부가 연통되게 접합된 짝 진 단부 보스의 사이에 개구부가 차단되게 삽입하여 차폐하게 된 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
3. 제1항에 있어서, 설정된 단부 보스 사이에 삽입 설치되는 배플인서트에는 보정 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 배플인서트에는 통과되는 바이패스 유로를 지시하는 지시 수단이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
5. 제4항에 있어서, 상기 지시 수단은 미리 설정된 유형의 가로 방향의 플랜지인 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
6. 제4항에 있어서, 상기 지시 수단은 배플인서트의 주위에 형성된 미리 설정된 유형의 홈(notch)인 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
7. 제1항에 있어서 짝판(plate paires)는 알루미늄으로 형성되고 배플인서트는 이에 용접이 가능한 자료로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
8. 제1항에 있어서, 짝판과 배플인서트는 브레이징피복 알루미늄으로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 배플인서트의 두께는 열교환기의 설계압력에 견딜 수 있는 소정의 두께로 된 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
10. 제9항에 있어서 상기 배플인서트의 소정의 두께란 0.003인치(0.08mm)와 0.024인치(0.6mm) 사이의 두께인 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
11. 제3항에 있어서, 배플인서트에는 개구부가 원추형으로 천공된 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
12. 제3항에 있어서, 상기 배플인서트에는 개구부가 벤추리형으로 천공된 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트.
13. 복수개로 중첩된 중공의 짝판 튜브로 구성된 유형의 열교환기의 유로변경방법에 있어서, 짝판 튜브의 단부에 형성된 개구부를 가진 단부 보스를 서로 접합하고 짝판 튜브 단부에 매니폴드가 형성되는 열교환기를 먼저 느슨하게 조립한 다음 짝판 튜브의 설정된 단부에 두 접합되는 단부 보스의 사이에 개구부가 차단되게 배플인서트를 삽입하여 조립하는 것에 의하여 단부 보스에서 짝판 튜브에 흐르는 유로가 변경되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트에 의한 유로변경방법.
14. 제13항에 있어서, 짝판 튜브는 브레이징코팅알루미늄판으로 된 짝판 튜브와 평알루미늄으로 형성된 배플인서트에 의하여 열교환기의 유로가 변경되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트에 의한 유로변경방법.
15. 제13항에 있어서 상기 브레이징코팅알루미늄으로 형성된 배플인서트에 의하여 열교환기의 유로가 변경되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트에 의한 유로변경방법.
16. 제13항, 제14항 또는 제15항의 어느 한 항에 있어서, 서로 접속된 단부 보스의 용접 단계에서 단부 보스의 사이에 삽입된 배플인서트를 적합한 두께로 용접하여 짝판 사이의 간격에 영향을 주지 않게 된 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트에 의한 유로변경방법.
17. 열교환기를 통하여 유체가 지그재그로 흐르도록 브레이징 단계에서 추가적인 유사 배플인서트를 설정된 단부 보스 사이에 삽입하여 유로가 변경되게 하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 배플인서트에 의한 유로변경방법.